混合钻头的破岩机理及计算机模拟

  2.1  PDC 钻头结构及失效形式

  PDC 钻头可分为：取芯、双心以及 RWD 随钻扩眼等钻头，整个钻头可看为一个整体，相比于牙轮钻头结构更加牢固。其结构大致由钻头体、PDC 切削齿、排屑槽等组成，如图 2-1 所示。PDC 钻头成本低，具有低能耗、可靠性高等优点。PDC 切削齿有着高硬度、强耐磨性和韧性。PDC 切削齿上端布有厚度为 0.5-0.64mm聚晶金刚石薄层，下端布有碳化钨基片。破岩过程中，其上端聚晶金刚石在与岩石接触中不断落，从而形成新的聚晶金刚石层，下端的碳化钨基片经过磨损后，变为尖锐的刃口，使得 PDC 切削齿有着一定的锋利性和抗冲击性能。

  2.2  牙轮钻头结构及失效形式

  牙轮钻头按照其牙轮个数可分为单牙轮、双牙轮、三牙轮、多牙轮钻头等，现使用最广泛的牙轮钻头为牙轮锥体各成 120°分布的三牙轮钻头，牙轮钻头大致由钻头体、牙爪、牙轮、喷嘴、轴承和密封系统等组成。钻头体为牙轮钻头的主体；牙轮钻头轴承可分为大轴承、中间轴承和小轴承，大轴承主要用来承受钻压、小轴承起到扶正作用，中间轴承起到定位锁紧作用；密封系统将牙轮内部与外界钻井液分开，并对轴承起到润滑作用；喷嘴结构与 PDC 钻头类似，起到钻井液循环作用，并冲洗牙轮；牙轮上安装牙齿，从而进行破岩。混合钻头主要由钻头体、轴承系统、水利系统和保径部分等组成，其特点在于混合钻头切削结构将 PDC 切削部分与牙轮切削部分组合，形成新的切削方式。身轴线进行自转；而 PDC 切削结构从钻头中心向周边进行布齿，并且在刀翼外部安装保径齿，不但提高钻头的保径效果，保持井眼直径，同时可降低牙轮切削结构中密封系统的损伤；喷嘴布置在混合钻头两种切削结构之间，使得岩屑清理更方便；混合钻头包括 PDC 切削结构和包括牙轮切削结构，其破岩方式是这两种结构共同作用的结果，因此研究混合钻头破岩机理，要了解 PDC 钻头和牙轮钻头的破岩方式。

  3.2  岩石力学行为

  3.3  混合钻头破岩过程热理论分析

  3.4  混合钻头切削齿受力分析

  3.5  混合钻头破岩受力分析

  5.8 纵向相对高度对破岩影响

  5.9 本章小结

  6.1 页岩发展与基本特征

  6.2 页岩本构模型

  6.3 页岩破碎分析

  6.4 小结

  随着油气资源日益减少，钻井向着深井、超深井、难钻性地层发展，导致常规 PDC钻头和牙轮钻头无法满足钻井需求，而混合钻头在现场试验表现出良好的钻井效率，故应掌握混合钻头破岩机理来更好的指导其结构设计和使用。本文通过对 PDC 钻头和牙轮钻头破岩机理研究，结合弹塑性力学、岩石力学以及有限元法等理论，对混合钻头破岩受力和破岩特性进行分析，并与 PDC 钻头和牙轮钻头钻井效率进行对比研究；同时研究含有层理结构的页岩破碎规律。本文对混合钻头破岩特性的研究，为混合钻头结构优化和推广奠定了基础。本文的主要研究成果如下：（1）通过对 PDC 钻头和牙轮钻头破岩特性，研究两种结构结合情况下的破岩方式。PDC 钻头破岩方式主要以剪切、预破碎、犁削和研磨形式；牙轮钻头主要依靠冲击压碎和滑动剪切来破岩。混合钻头具有 PDC 切削结构和牙轮切削结构，其破岩时由牙轮切削结构对岩石间歇性冲击和 PDC 切削结构对岩石持续性刮削组成，两种切削结构相互影响，相互促进。（2）通过弹塑性力学、岩石力学以及 Hertz 接触力学，开展 PDC 切削齿和牙轮切削齿破岩受力分析，并对混合钻头破岩力学公式进行推导。（3）在仿真假设条件下，通过混合钻头、PDC 钻头和牙轮钻头破岩效率对比分析，结果表明：一段时间后，混合钻头破岩量大于 PDC 切削结构和牙轮切削结构破岩总和，这与现场试验一致；混合钻头破岩过程中岩石应力小于 PDC 破岩过程中岩石应力，表明其更容易破碎岩石；破碎单元岩石混合钻头所消耗能量最少，牙轮钻头次之，PDC 钻头最多；在造斜过程中，混合钻头造斜速度更快且更稳定；混合钻头破岩过程温度比 PDC钻头和牙轮钻头低，且所承受扭矩较低，有利于减少磨损，延长钻头寿命；在软硬交替地层中，混合钻头比 PDC 钻头钻速更快，波动幅度更小。（4）不同结构下混合钻头破岩方式不同，牙轮主导型混合钻头破岩石其牙轮切削结构率先冲击岩石，使岩石产生裂纹后，PDC 切削结构更容易对岩石进行刮切；PDC 主导型混合钻头其 PDC 切削齿率先接触岩石，对岩石产生预破碎作用，而后牙轮切削齿对岩石进行冲击。牙轮主导型混合钻头适用于硬地层，其温度变化与牙轮钻头类似；PDC 主导型混合钻头适用于软地层，其温度变化与 PDC 钻头类似。（5）针对页岩特殊的层理结构，研究混合钻头破碎页岩规律，结构表明：页岩破碎时，其井底产生破碎和裂纹，并随着钻头的侵入，其裂纹沿着层理方向扩展，岩石破坏程度变大；混合钻油与页岩层理所成角度越小钻速越快，反之越慢；相邻的层理间距越小，岩石整体性越差，混合钻头破岩速度越快。结合 PDC 钻头和牙轮钻头破岩特性，采用理论和仿真相结合的方式，得到混合钻头破岩机理，相比常规钻头破岩过程所产生热量最少，造斜能力好，钻井效率高，可延长钻头寿命，降低钻井成本。研究了混合钻头结构对其破岩特性的影响，不同结构钻头适用不同地层。研究了具有层理结构的页岩破碎规律。本文通过理论和仿真对混合钻头破岩特性进行研究，取得一定的成果，但鉴于个人能力以及科研条件等关系，导致研究还不够全面，日后仍有大量工作需要完善：（1）钻头破岩过程是十分复杂的，论文在论文分析和仿真分析过程中，作了一定的假设，如切削齿不发生磨损、忽略了钻井液的作用等等，因此，需建立更为精确的仿真模型。（2）本文以花岗岩作为硬地层，砂岩作为软地层，但对于混合钻头破岩特性应开展更多岩性的岩石，从而得到更多地层岩石的破岩规律。（3）本文根据试验数据在一定程度上确定了仿真模型的正确性，但对于仿真过程中得到的部分结论，缺少试验验证。